DE3919547A1

DE3919547A1 - Haertungsmittel fuer epoxidharze

Info

Publication number: DE3919547A1
Application number: DE3919547A
Authority: DE
Inventors: Grundke Ulrich; Alfred Dr Mathes; Achim Dr Hansen; Rolf Dr Herzog
Original assignee: Ruetgerswerke AG
Current assignee: Rain Carbon Germany GmbH
Priority date: 1989-06-15
Filing date: 1989-06-15
Publication date: 1990-12-20
Also published as: ES2018752A4; EP0402582A3; BR9002806A; US5071951A; GR900300185T1; EP0402582A2

Description

Die Erfindung betrifft neue Härtungsmittel für Epoxidverbindungen, insbesondere Epoxidharze, die zu flexiblen gehärteten Produkten mit hohen mechanischen Eigenschaften führen.

Derartige Härtungsmittel werden in der Fachwelt als flexible Härter bezeichnet.

Dem Fachmann ist die Verwendung von Polyetherurethanharnstoffaminen in Epoxidharzhärtern bekannt.

Diese Härter ermöglichen die Herstellung hochwertiger Epoxidharzformstoffe, die als Beschichtungs-, Überzugsmittel, zur Herstellung von Formkörpern und Laminaten oder als Dichtungsstoffe Verwendung finden.

Aus DE-OS 23 38 256 sind flexible Härter auf der Basis von Polyetherurethanharnstoffaminen bekannt.

Diese Härter haben den Nachteil, daß sie sehr hohe Viskositäten besitzen und deshalb nur in Lösung anwendbar sind, was ihre Verwendung in vielen Bereichen stark einschränkt, bzw. sogar unmöglich macht.

Aus DE-OS 31 51 592 sind flexible Härter auf der Basis von Polyetherurethancarbaminsäurearylestern bekannt, die durch Umsetzungen von Polyetherurethancarbaminsäurearylestern mit Aminen hergestellt werden.

Die Verwendung von Polyetherurethancarbaminsäurearylestern als Zwischenstufe führt aufgrund der selektiveren Umsetzung zu Produkten mit niedrigerer Viskosität. Die bei der Reaktion freigesetzten phenolischen Komponenten -häufig Phenol oder Nonylphenol- verbleiben jedoch in der Härterkomponente und reagieren bei der Aushärtung nicht mit dem Epoxidharz. Die Anwesenheit der nicht in das Polymernetz chemisch eingebundenen phenolischen Komponenten führt zu einer Reihe erheblicher Nachteile.

Die phenolischen Komponenten bewirken eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften in den ausgehärteten Formstoffen, was auf ihre Wirkung als externe Weichmacher und die Verminderung der Netzwerkdichte zurückzuführen ist. Dies begenzt den Anwendungsbereich erheblich und schließt Anwendungen wie im Faserverbundsektor aus.

Darüber hinaus kommt es bei Faserverbundwerkstoffen im Bereich der Grenzfläche von Faser und Matrix zusätzlich zu einer verminderten Haftung aufgrund einer Anreicherung der im Härter enthaltenen phenolischen Komponenten.

Zudem ist eine unzureichende Langzeitbeständigkeit der mechanischen Werte und der chemischen Beständigkeit gegeben, da die phenolischen Komponenten herausdiffundieren, herausgelöst werden oder die Aufnahme von Wasser, Lösungsmittel und Chemikalien begünstigen. Phenole führen zudem zu einer Beschleunigung der Härtungsreaktion von Aminen mit Epoxidharzen. Dies ist oftmals unerwünscht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, flexible Härter bereitzustellen, die mit Epoxidverbindungen gehärtete Produkte mit dem gleichen guten Eigenschaftsprofil ergeben wie mit flexiblen Härtern gemäß DE-OS 31 51 592 gehärtete Epoxidharze, die jedoch ausschließlich reaktive Komponenten enthalten, d. h. Komponenten, die bei der Aushärtungsreaktion in den Formstoff chemisch über eine Amin-Epoxidreaktion kovalent eingebaut werden und somit frei von externen Weichmachern sind.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch Härtungsmittel gemäß der Ansprüche 1 und 2 und durch Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß den Ansprüchen 3-7.

Die Härtungsmittel finden, zusammen mit einer oder mehreren Epoxidverbindungen, Verwendung zur Herstellung flexibler Formteile oder Flächengebilde, insbesondere von Laminaten, sowie zur Herstellung von Dicht- und Klebstoffen oder Beschichtungen gemäß der Ansprüche 9-12.

Darüber hinaus eignen sich die Härtungsmittel als reaktive Emulgatoren zur Herstellung wasseremulgierbarer Epoxid-Bindemittel gemäß Anspruch 8.

Es wurde gefunden, daß man Härter erhält, die mit Epoxidverbindungen flexible gehärtete Produkte mit guter Chemikalien- und Alterungsbeständigkeit, guten elektrischen und physikalischen Eigenschaften, insbesondere mit erhöhter Weiterreißfestigkeit ergeben, wenn man isocyanatendständige Umsetzungsprodukte von Polyalkylendiolen oder Polyalkylenpolyolen mit Di- und/oder Polyisocyanaten mit einem Amin umgesetzt, das mindestens eine freie, primäre oder sekundäre Aminogruppe und mindestens eine mit einer Schutzgruppe blockierte, primäre Aminogruppe enthält und die resultierenden Verbindungen hydrolysiert.

Die so hergestellten aminoendständigen Härter sind helle, niedrig- bis zähviskose (10-60 Pa×s bei 52°C) Produkte, die, gegebenenfalls mit zusätzlichen reaktiven Härterkomponenten, mit Epoxidverbindungen, insbesondere mit Epoxidharzen mit mindestens zwei Epoxidgruppen pro Moleküleinheit im äquimolaren Verhältnis von Amino- und Epoxidgruppen vermischt werden. Die Härtung erfolgt entweder bei Raumtemperatur innerhalb von 24-72 h nach dem Vermischen (Verarbeitbarkeitszeit: 3-5 h), oder bei erhöhter Temperatur.

Die erfindungsgemäßen Härtungsmittel können darüber hinaus in an sich bekannter Weise mit zusätzlichen üblichen Aminhärtern wie z. B. aliphatischen und/oder cycloaliphatischen Polyaminen, Polyamiden, aminendständigen Polyalkylethern, primären längerkettigen Monoaminen oder aminendständigen Butadien-Acrylnitril-Copolymerisaten kombiniert eingesetzt werden.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Härter erfolgt demnach in drei Reaktionsschritten aus an sich bekannten Vorprodukten:

1) Umsetzung von Polyalkylendiolen und/oder Polyalkylenpolyolen mit Di- und/oder Polyisocyanaten.
2) Umsetzung des Reaktionsproduktes aus (1) mit einem Amin, das mindestens eine freie primäre oder sekundäre Aminogruppe und mindestens eine mit einer Schutzgruppe geschützte primäre Aminogruppe enthält, wobei die freien primären oder sekundären Aminogruppen mit den Isocyanatgruppen des Reaktionsproduktes aus (1) reagieren.
3) Hydrolyse des Reaktionsproduktes aus (2) unter Abspaltung der Schutzgruppe und damit Freisetzung der primären Aminogruppe bzw. Aminogruppen.

Durch diese gezielte Umsetzung jeweils definiert reagierender Komponenten werden genau vorherbestimmte Härtungsmittel synthetisiert, deren Zusammensetzung und Aufbau bei verschiedenen Produktionschargen nicht variiert.

Als Einsatzprodukte für den ersten Reaktionsschritt dienen handelsübliche Polyalkylenetherdiole und/oder Polyalkylenetherpolyole und Isocyanatverbindungen.

Die Polyalkylenetherdi- oder -polyole haben mittlere Molekulargewichte zwischen 100 und 5000, vorzugsweise zwischen 400 und 2000. Besonders bevorzugt sind Polyethylenoxide oder Polypropylenoxide.

Beispiele für Di- oder Polyisocyanate sind:
2,4- und 2,6-Toluylendiisocyanat oder Gemische davon,
4,4-Diphenylmethandiisocyanat,
m-Xylylendiisocyanat,
2,2,4-(2,4,4)Trimethylhexamethylendiisocyanat,
1,6-Hexamethylendiisocyanat,
1-Isocyanato-3-isocyanatomethyl-3,5,5-trimethyl-cyclohexan
(auch Isophorondiisocyanat genannt)
und das Additionsprodukt aus 1 Mol Trimethylolpropan und 3 Mol Isophorondiisocyanat

Besonders geeignet sind aliphatische und cycloaliphatische Diisocyanate wie z.B. Hexamethylendiisocyanat und Isophorondiisocyanat.

Für die Herstellung der Reaktionsprodukte werden die Polyalkylenetherdi- oder -polyole und die Isocyanate so gemischt, daß ein Verhältnis der OH-Gruppen zu den Isocyanatgruppen von 1 : 1,8 bis 3, vorzugsweise aber von 1 : 2,1 bis 2,5, eingestellt wird.

Das Reaktionsgemisch wird, eventuell gemeinsam mit einem Lösemittel und/oder mit geringen Mengen eines Katalysators wie z.B. 0,1% Dibutylzinndilaurat, einige Stunden auf 50 bis 100°C erwärmt, bis der analytisch ermittelte Isocyanatgehalt mit dem berechneten Wert weitgehend übereinstimmt.

Die so hergestellten Isocyanatverbindungen werden ohne weitere Aufarbeitung dem 2. Reaktionsschritt unterworfen. Eventuell im Reaktionsgemisch vorhandener Katalysator katalysiert auch die zweite Umsetzung. Für diese Umsetzung lassen sich Amine einsetzen, die mindestens eine primäre und eine sekundäre Aminogruppe besitzen, wobei mindestens eine primäre Aminogruppe mit einer Schutzgruppe blockiert ist. Als Beispiele für verwendbare Amine seien genannt:
Ethylendiamin, Diethylentriamin, 1,2-Diaminopropan,
1,3-Diaminopropan, 1,3-Diaminobutan, 1,4-Diaminobutan,
3-(n-Isopropyl-amino)propylamin, Hexapropylenheptamin,
1-Cyclohexylamino-3-aminopropan, 1,4-Diaminocyclohexan,
1,3-Diaminocyclohexan, 2,4-Diaminocyclohexan,
1,3-Di(amino-cyclo-hexyl)propan,
N,N′-Diethyl-1,3-diaminopropan,
N,N′-Diethyl-1,4-diaminocyclohexan,
N-Aminoethylepiperazin, N-Aminopropylpiperazin,
N-Aminobutylpiperazin, 1,3-Dipiperazinylpropan,
1,3-Dipiperidylpropan,
3-(2-Aminoethyl)-aminopropylamin,
N,N′-bis-(3-Aminopropyl)-ethylendiamin,
die handelsüblichen primären aliphatischen
Polyoxipropylendi- oder triamine, Phenylendiamin,
4,4′-Diamino-diphenylmethan sowie Etherdiamine wie z. B. 1,7-Diamino-4-oxa-heptan,
1,7-Di-amino-3,5-dioxa-heptan,
1,10-Diamino-4,7-dioxa-decan,
1,10-Diamino-4,7-dioxa-5-methyldecan,
1,11-Diamino-6-oxa-undecan,
1,11-Diamino-4,8-dioxaundecan,
1,11-Diamino-4,8-dioxa-5-methyl-undecan,
1,11-Diamino-4,8-dioxa-5,6-dimethyl-7-propionylundecan,
1,12-Diamino-4,9-dioxa-dodecan,
1,13-Diamino-4,10-dioxatridecan,
1,13-Diamino-4,7,10-trioxa-5,8-dimethyl-tridecan,
1,14-Diamino-4,11-dioxa-tetradecan,
1,14-Diamino-4,7,10-trioxatetradecan,
1,16-Diamino-4,7,10,13-tetraoxa-hexadecan,
1,20-Diamino-4,17-dioxa-eicosan und insbesondere Hexamethylendiamin,
3,3,5(3,5,5)-Trimethyl-hexamethylendiamin und
3,3′-Dimethyl-4,4′-diaminodicyclohexylmethan und insbesondere Isophorondiamin, N-Aminoethyl-piperazin,
1,2-Diaminopropan, Methyl-pentamethylendiamin,
Xylylendiamin oder Mischungen dieser Amine, aber auch Polyaminoamide oder Polyalkylenpolyamine.

Entsprechende Schutzgruppen werden durch Umsetzung der primären Aminogruppe mit Aldehyden oder Ketonen insbesondere mit Methylethylketon, Methylpropylketon, Methylbutylketon, Diethylketon oder Dipropylketon erhalten.

Die Reaktion der Isocyanatverbindung mit der freien Aminogruppe des teilweise blockierten Amins ist der empfindlichste Schritt. Während die entsprechenden Hydroxyverbindungen sehr selektiv mit Isocyanaten reagieren, besteht bei Aminen die Gefahr, daß Isocyanatgruppen in dem alkalischen Milieu miteinander reagieren, daß somit unerwünschte Nebenreaktionen stattfinden. Es wurde gefunden, daß sich diese Nebenreaktionen weitgehend vermeiden lassen, wenn die Umsetzung im Beisein von 20-80% Lösemitteln wie z.B. Aromaten, Alkoholen, Estern, Ketonen oder Ethern stattfindet. Außerdem empfiehlt es sich, dem Reaktionsmedium geringe Mengen 0,001-2% eines für diese Reaktion üblichen Katalysators wie z.B. Diazabicyclooctan, Dibutylzinndilaurat oder Zinn(II)-octoat zuzugeben.

So werden 1 Mol des Reaktionsproduktes aus dem ersten Schritt langsam zu 2-4 Mol (bevorzugt zu 2,6-3,2 Mol) blockierten Amin zugegeben und bei 60-80°C 3-5 h lang umgesetzt. Danach sind keine freien Isocyanatgruppen mehr vorhanden.

Pro Äquivalent eingesetztem, mit Schutzgruppe blockiertem Amin werden nun 1-2 Mol Wasser zum Reaktionsgemisch gegeben und das Ganze etwa eine Stunde bei 60-80°C gehalten. Anschließend werden die flüchtigen Bestandteile wie Lösemittel, überschüssiges Wasser und die abgespaltene Schutzgruppe abdestilliert. Das erhaltene Produkt ist fertig für den Einsatz als Härtungsmittel für Epoxidverbindungen.

Claims

1. Härtungsmittel für Epoxidverbindungen, hergestellt durch Umsetzung von Polyalkylenetherdiolen und/oder Polyalkylenetherpolyolen mit Di- und/oder Polyisocyanaten, wobei das Verhältnis von OH-Gruppen zu Isocyanat-Gruppen im Bereich von 1 : 1,8 bis 3 liegt, Umsetzung der erhaltenen Isocyanatverbindungen mit einem Amin, das mindestens eine freie primäre oder sekundäre Aminogruppe und mindestens eine mit einer Schutzgruppe blockierte primäre Aminogruppe enthält und Hydrolyse der erhaltenen Verbindung.

2. Härtermischungen für Epoxidverbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie Härtungsmittel nach Anspruch 1 und übliche Aminhärter enthalten.

3. Verfahren zur Herstellung der Härtungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Polyalkylenetherdiole und/oder Polyalkylenetherpolyole und Di- und/oder Polyisocyanate im molaren Verhältnis der OH-Gruppen zu Isocyanatgruppen von 1 : 1,8 bis 3 umgesetzt, die erhaltenen isocyanatendständigen Verbindungen mit einem Amin, das mindestens eine freie, primäre oder sekundäre Aminogruppe und mindestens eine mit einer Schutzgruppe blockierte, primäre Aminogruppe enthält, im Verhältnis der Isocyanatgruppen zu freien, sekundären Aminogruppen von 1 : 1-2 umgesetzt, die resultierenden Verbindungen hydrolysiert und die dabei entstehenden Verbindungen mit endständigen Aminogruppen in an sich bekannter Weise isoliert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der OH-Gruppen zu Isocyanatgruppen 1 : 2,1-2,5 beträgt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Piperazinderivat eine Ketiminoverbindung ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Amin ein Ketimin aus Methyl-isobutylketon und N-Propylaminopiperazin ist.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung der isocyanatendständigen Verbindungen mit den Aminoverbindungen unter Mitwirkung eines Lösemittels erfolgt.

8. Verwendung der Härtungsmittel nach Anspruch 1 als reaktive Emulgatoren zur Herstellung wasseremulgierbarer Epoxid-Bindemittel.

9. Verwendung der Härtungsmittel nach den Ansprüchen 1 oder 2 zusammen mit einer oder mehreren Epoxidverbindungen, zur Herstellung flexibler Formteile oder Flächengebilde.

10. Verwendung der Härtungsmittel nach den Ansprüchen 1 oder 2, zusammen mit einer oder mehreren Epoxidverbindungen, zur Herstellung von Laminaten.

11. Verwendung der Härtungsmittel nach den Ansprüchen 1 oder 2, zusammen mit einer oder mehreren Epoxidverbindungen, zur Herstellung von Klebstoffen oder Beschichtungen.

12. Verwendung der Härtungsmittel nach den Ansprüchen 1 oder 2, zusammen mit einer oder mehreren Epoxidverbindungen, zur Herstellung von Dichtstoffen.